每一天，我们坐的高铁都在跟鸟和空气作战
2021年12月11日 12:00 冰点周刊
原标题：每一天，我们坐的高铁都在跟鸟和空气作战 每年，全国高铁要清理超过20万个鸟窝，拆掉一个鸟窝平均成本上千元。有人曾尝试用大风扇把鸟窝从高铁接触网上吹走，可鸟类是天生的建筑专家，它们搭的窝非常符合工程力学。 车速不高时，列车前进就像人在微风中行走，几乎感受不到阻力。但当列车时速在300公里以上，让时速每提高20公里，困难程度就好比让奥运会的一个“百米飞人”跑进10秒后，将速度再提高0.01秒。 当地时间12月3日，老挝首都万象，一列从昆明站始发的中老铁路列车抵达。当日，中老铁路全线开通运营。视觉中国供图
一位心细的高铁乘客如果向窗外留意，天气和运气都不错的话，可以看到，架在半空的输电线路上，有时会挂着一条塑料蛇、一个“蜘蛛侠”玩偶，或者生鸡爪之类的奇怪物件。 现代高铁采用的这种自保方式与农田里的稻草人在原理上别无二致：对鸟类产生震慑力。 每一天，全世界的铁路工人和电力工人都在与鸟类作不屈不挠的斗争。北京铁路局集团工人杨红杰说，他们经常要利用凌晨时间去清理电线上的树枝、丝线以及鸟巢。 沿着铁路线架设的输电线路又称接触网，很多鸟儿喜欢在这种高压电流通过的网上筑巢。 每年，全国高铁线要清理超过20万个鸟巢，铁路牵引供电系统专家王立天说。他是天津中铁电气化设计研究院首席专家、总工程师。他供职的单位参与了中国高铁诞生以来的设计、建设和发展。 王立天对中青报·中青网记者解释，鸟类尤其让人头疼。坚固的接触网是它们理想的安家之所。鸟儿不辞劳苦衔来的树枝、铁丝、草秆，统统都会成为良好的导体，可能导致短路，进而带来停电和停运。 其他威胁还包括被风吹上天的农用地膜、彩钢板、防尘网、菜市场的塑料包装袋，以及断线风筝的细线。2021年5月1日，河北定州的一块旧塑料布被风卷到接触网上，导致北京至广州的高铁连锁反应式的大面积延误。这只是众多同类事件中的一起。 多年以来，王立天的工作就是与那些阻挡铁路前进的障碍对抗。 中国逐渐铺开高铁线路以后，他的“敌人”多了一个：空气。
12月2日，黑龙江省牡丹江市，一列动车组列车行驶在沈佳高铁牡丹江至佳木斯段。12月6日，我国最东端高铁——牡佳高铁正式开通运营，进一步完善了我国东北地区高速铁路网。 视觉中国供图 简单来说，用电驱动一列火车与点亮一盏台灯的过程差不多：国家电网提供稳定的电流，电线把它送到头顶，一个庞然大物获得了动力。 火车通过车顶的弓形装置“受电弓”——相当于“插头”，来与头顶的电线接触。工程师们让受电弓和接触网“握手”，以此使列车获得动力。 接触网不是一张网，除去一些零件和支撑装置，它其实是一根直径1.4厘米左右的导线，悬挂在铁轨上方6米高的半空。列车经过时，受电弓“伸出手”，滑过导线，把电流引入车内。 140多年前，电气化铁路在英国诞生，自此之后，工程师对改善弓网关系的研究就没有停止过。正如自从有了铁路，对车轮与轨道的持续改进就永无止境。 但在慢吞吞的绿皮火车时代，空气并不是需要特别考虑的障碍。车速不高时，列车前进就像人在微风中行走，几乎感受不到阻力。 但当列车时速在300公里以上，让时速每提高20公里，王立天打比方说，困难程度就好比让奥运会的一个“百米飞人”跑进10秒后，将速度再提高0.01秒。 列车时速在250公里以下时，常用的纯铜导线就可以带来足够的动力。而时速300公里以上时，情形不一样了，空气阻力急速攀升，如同人置身于八级以上大风中逆行。 摆脱阻力的办法就是给高铁送去更大的牵引力。功率加大，瞬时穿过导线的电流成倍增加，但导线并不能加粗，“否则将带来一系列复杂的工程问题”，王立天说，这种情况下，纯铜导线不够用，必须找到导电率更高的电线。 中国高铁的设计时速是从200多公里一步迈入350公里的。2008年，北京和天津之间时速350公里的城际铁路通车，被视为中国迈入高铁时代的起点。 高速带来很多意想不到的麻烦。列车举着受电弓，以每秒100米的速度滑过上方导线时，前弓向上抬升摩擦导线，会引起共振产生振波，振波又沿导线传导到后弓。当列车跑得比振动波还快，导线就会在受电弓表面上下跳跃，无法稳定获取电力，“一旦弓网脱离，轻则摩擦出电火花，重则出现安全事故”。据王立天介绍，导线振动波的传播速度要达到车速的1.4倍以上，才能让弓网保持紧密接触，这就需要导线更大的张力、更高的强度。 严格来说，列车的最高运行速度取决于这条电线——一个公认的结论是，导线的电导率和强度决定了接触网载流能力和张力的极限，也就决定了最高车速。 但问题在于，按照金属材料的物理性质，导电率和强度是成反比的，同一种材料，要想提高一方面的性能，就必须牺牲另一方面。 王立天要挑战这个物理学原理，同时提高两个反向指标。那就要给金属“加点料”——把不同金属“揉”在一起形成新的合金，改变原有的物理性质。 京津城际铁路通车，日本东海道新干线已开行了半个世纪。为了给京津城际铁路选出一条能满足350公里时速的导线，王立天作为当时的铁道部认定的高铁牵引供电领域的主谈专家，与当时拥有先进高铁技术的日本、法国、德国专家一起坐到谈判桌边。 德法专家推荐的是当时国际上比较流行的镁铜合金导线，日本专家拿出的是铜包钢导线。前者的抗拉强度470兆帕，导电率62%；后者强度高达580兆帕，可导电率只有50%。王立天对两种都不怎么满意。铜包钢导线的导电率太低，无法满足中国高铁列车编组长、载重大对动力的需求；而国际先进的铜镁导线在350公里时速已达安全极限，未来再提速，必须要研发出更高强度、更高导电率的下一代导线。 最终中标的是德国人，王立天等中方专家配合德方完成了电力系统的设计。但日本人称，他们正在研究更高强度、更高导电率的铬锆铜导线，只是不能卖给中国，一小段样品都不行。 这段谈判经历让王立天感到强烈震撼，他形容“那是一种很深的屈辱感”。他体会到，最好的技术，花钱也买不来。中国要发展，必须自力更生、科技自强，别无他法。 查阅了大量国际前沿学术研究之后，王立天发现，各国都在投入巨资研究铜铬锆接触网导线，这是高铁牵引供电技术中公认的难题。 他开始在国内各高校和科研院所走访。得知浙江大学教授孟亮研究出一种高强高导材料，王立天当天下午就坐到了孟亮办公室的椅子上。 那是一根银铜合金导线，教授对数据很满意——导电率90%、强度接近900兆帕。王立天一看，心凉了半截。这根导线中，银占比达30%，这意味着成本极高，根本无法大范围应用。 “工程导线必须便宜，是吧？”王立天直截了当说，“铬锆铜导线能不能研究出来？” 教授回答：特别难。 铬和锆是金属里特别容易挥发的元素，一碰到其他元素，它很轻易就会与之发生化学反应。王立天对记者解释，“比如氧气、氮气、氢气……（它）跟空气中所有的元素几乎都能发生化学反应”，这就导致冶炼过程很困难，“还没炼，它基本上就挥发掉了。” 孟亮知道高强高导是全世界研究者的目标，但当时并不清楚到底能干什么用。 “我想把这根导线用到中国高铁上”，王立天讲起自己之前与国外代表谈判的经历。 成天在实验室埋头与金属元素打交道的孟亮抬起头，盯着他看了几秒钟，说，“那我们试一试。” 半年后，一根指标很漂亮的铬锆铜导线在实验室诞生了。“我当时兴奋得不得了。”王立天回忆。不过他很快发现，那基本上是一场空欢喜，因为实验室研究和实现产业化“相差了十万八千里”，“假如说产业化要走100步，那么实验室可能只走了前面5步到10步。” 没人知道去哪儿能找到一个工厂，把这根导线生产出来。
当时不存在那样一个工厂：拥有足够大且耐超高温的各种冶炼炉、冷却结晶器及高强度的模具。而这是生产单根1500米长且零缺陷的超长导线不可或缺的。 在河北邢台的一家工厂，王立天带着一群年轻技术员从各种生产工具开始设计。这位电化院的总工程师成了守在加工炉边时间最长的人。 在他眼里，把几十吨重的铜和其他金属冶炼加工成细细长长的电线，其实与做一碗面条的工序大体相同。 他做出一个打鸡蛋的动作来演示和面的过程，“如果把鸡蛋加到面粉里，和出来的面就更劲道，这其实就是加杂质的过程，目的是强化，我们加入铬和锆，这是第一步。” 他开始“揉面”，“面要使劲揉，把里面的面疙瘩都揉开”。对金属而言，就是要让里面的结晶体在挤压后变得更小，拉出来的“面条”就能更加光滑。 接下来是关键一步——让导电率和强度同时改善，这支团队提出了析出强化是实现铜合金高强高导的思路。这个过程，如同把面条放进开水里煮熟。 原本铬锆铜三种元素混在一起的“金属面条”，经过2个小时以上400摄氏度高温加热，其中铬和锆达到饱和析出，金属原子重新整齐地排在一起，就像钢筋混凝土中一根根钢筋彼此相连，支撑起合金的整体强度；而铜金属则变得更加纯净，让电子可以顺畅地快速通过。 来自面条的灵感，让这支团队走出了一条与国外传统铸造工艺完全不同的办法，独创了铜铬锆导线“连铸连挤连拉”制备技术。他们不断尝试简化制作流程，让工艺更优、成本更低。 设计者们遇到了各种意想不到的困难。他们不得不逐一设计出塞满整整一个工厂的装备，那些大家伙都是生产小小导线必不可少的。 为了给真空冶炼炉找到合适的材料做炉壁，他们几乎把全世界能找到的材料都试了一遍。花了200万元定做的透热炉，刚放进第一根金属棒，温度升至900摄氏度时，金属棒突然加速旋转，瞬间把炉子打碎，支离破碎的残骸四处飞溅。 越来越多人提出质疑，觉得这条路走不通。有同行冷嘲热讽，认为“王立天就是在忽悠”；团队里的一些年轻博士、硕士也纷纷离开。 一位年轻人临走前问王立天，“日本人已经干了20年了，到现在还没上线，我们中国人能干出来吗？” 他没有回答。 如今回过头来看，很多当初看起来无法解决的难题，不过是捅破一层窗户纸的事。 王立天“捅破窗户纸”那天，差点丢了性命。实验做到了深夜，零点过后，突然有技术人员跑去告诉他，结晶器漏水了。如果水进入炉子，碰到1000多摄氏度高温，会迅速分解成氢气和氧气，发生爆炸，整个楼都会炸掉，每个人都死无葬身之地。他们跑过去一看，吃了一惊，漏水的结晶器意外地拉出了一段非常光滑的电线。 王立天跟厂长商量，“我们再等5到10分钟，看看能不能出来好东西。”作出这个决定时，站在上千摄氏度高温的炉子旁，他感到后背发凉，“要么就成了，要么就炸上西天”。没人说话，也没人离开。最后产生的那一段电线，检测结果显示所有指标都达到预期。 他们意识到，原来是结晶器设计的水场分布不合理，而漏水恰好使得水路重新分布，阴错阳差带着他们走出困境。 此时，距离截止期限只剩2个月，团队几乎已经被逼到悬崖边上。按照计划，他们希望这条导线在2010年的京沪高铁先导段上使用。 当时40岁出头的王立天，头发白了很多，“头发大把掉，人老得没法看”。看着价值上千万元的铜一次次变成废料，他对身边的厂长开玩笑，“真做不成，咱俩只能一起跳楼了”。 还有些代价是无法挽回的。因为迟迟做不出合适的导线，孟亮教授急得突发脑出血，做了开颅手术才保住性命。 一位大学刚毕业的小伙子，操作时不慎把手卷入金属削皮机里，“当场四个指头都没了”。 王立天向后靠向椅背，深深叹了一口气，“有时候总觉得欠别人的情。” 2010年，这根铬锆铜导线被用于京沪线先导段，推动着中国高铁跑出了486.1公里的当时世界最高时速。几乎同一时间，日本研发的同类导线也上线运行。 “他们用了18年，我们不到4年，而且成本更低。”王立天说，研发铬锆铜导线的同时，团队按照创新工艺同步研发了国产镁铜导线，以及与两种导线匹配的接触网全套产品。 此后10多年间，中国高铁不断扩张。今天，在中国版图上纵横交错的高铁线路总长已超过3.79万公里，这些线路其中一半是在最近5年完成的。 高铁开多远，导线就有多长。在今天的中国，高铁接触网导线的总长，差不多可以绕地球赤道一圈。 “可以说，我们研发的铬锆铜导线和镁铜导线支撑了我国高铁的建设。”王立天说。这支团队研发的系列导线产品已在京沪、武广等30多条线路上使用，覆盖运营里程超过1.3万公里，影响着三分之一中国高铁的运行。2010年至今，因国产化替代减少的工程造价逾100亿元。 自京沪高铁开始，中国高铁牵引供电技术实现了完全自主创新和技术装备产品国产化。 2020年，王立天的团队凭借“高速铁路用高强高导接触网导线关键技术及应用”项目，获得了国家科技进步二等奖。 按照京沪线测算，使用铬锆铜导线全生命周期的成本，只有镁铜导线的一半。 繁忙的京沪线把80%以上的线路铺在桥上，让列车跨越山河湖海和人口稠密的城市，串起中国经济最活跃城市间的黄金通道。 某种意义上，这根导线牵引着一个加速奔跑的国家。 在幅员辽阔的中国，高铁穿过崇山峻岭、城镇村庄，一天之内就可能经历烈日风雪、四季变换，全程必须保证持续安全的电力驱动。 “子弹头”列车上的乘客其实是在陆地飞行，高铁在几分钟内就能提速到飞机起飞时的速度。 据王立天介绍，对这根导线的研究一直在持续。新一代铬锆铜导线的导电率和强度再次刷新了世界纪录，且更节能、成本更低，已经为发展时速400公里以上的高速铁路提供了技术支撑。
近几年，王立天主持研发了高铁接触网的防雷系统，眼下正着手研究用于接触网施工、维修的智能机器人，总之，要想尽一切办法守好这根“高铁生命线”。 多年后，他仍不时想起那个年轻人退出时的发问，“我们中国人能干出来吗？” 他说，自己内心的答案一直没变。 不过，这个世界上最大强度和张力的接触网依然有脆弱的时候。尽管每年耗费了大量的人力物力，但依然无法避免一些五花八门的入侵者的威胁。人们尝试用闪光灯或者噪音吓唬过鸟儿，只起到短暂的效果。 王立天说，有国外同行曾尝试用大风扇把鸟窝从接触网上吹走，可鸟类是天生的建筑专家，它们搭的窝非常符合工程力学，“10级大风都吹不动”。拆除这些鸟窝需要一笔不小的花费。工人只能在断电停运时干活儿，根据测算，平均每拆一个鸟窝的成本在千元左右。 在更高的车速区间内，这些工程师战胜了空气，但对于鸟类的挑衅，科学暂时无可奈何。 （记者耿学清对本文有贡献）
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